道砟級(jí)配對(duì)搗固的效果影響及其參數(shù)優(yōu)化*

鄭 瑤 董為民 周陶勇 周海燕

(昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 昆明 650500)

0 引 言

有砟軌道又稱碎石道床軌道，有著排水性好、維修養(yǎng)護(hù)方便、造價(jià)低廉和吸收噪聲能力強(qiáng)等特點(diǎn)[1].但其使用壽命短、碎石道床狀態(tài)不穩(wěn)定、維修作業(yè)量大，所以搗固作業(yè)的養(yǎng)護(hù)流程變得尤為重要[2-3].

在搗固作業(yè)中選擇適當(dāng)?shù)膿v固參數(shù)來提高搗固作業(yè)的效果是目前解決搗固問題的重要方式.但目前我國對(duì)于搗固作業(yè)參數(shù)的選擇多取決于現(xiàn)場測(cè)試及經(jīng)驗(yàn).許多學(xué)者也多是研究特定情況下的搗固作業(yè)參數(shù)優(yōu)化.陳小平等[4]研究了搗固作業(yè)穩(wěn)固后道床的阻力的變化，并且提出了在搗固作業(yè)后道床阻力會(huì)急速下降，但第一次穩(wěn)固之后道床的阻力會(huì)快速恢復(fù)的結(jié)論；周陶勇等[5]利用數(shù)值模擬的方法研究了搗固作業(yè)過程中的道砟運(yùn)動(dòng)情況以及道床密實(shí)程度的變化情況，得到了相對(duì)最佳的搗固頻率；楊代樓[6]研究了搗固頻率對(duì)道砟破碎的影響規(guī)律，提出在挾持過程中道砟的破碎最嚴(yán)重；耿興利[7]分析研究了不同振幅、頻率以及搗固次數(shù)情況下，道砟顆粒的運(yùn)動(dòng)情況，選取了最佳振幅、頻率以及搗固次數(shù).Perales等[8]利用了集成圖像分析儀對(duì)道砟顆粒進(jìn)行掃描并建立顆粒庫，然后在DEM分析中模擬進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)搗固作業(yè)可以使材料的抗剪強(qiáng)度下降. Koc等[9]在搗固設(shè)備作業(yè)期間，檢測(cè)軌道橫向阻力時(shí)提出了一種通過回轉(zhuǎn)或移位來評(píng)估橫向阻力的分析方法.Saussine等[10]通過三維離散單元的方法模擬了搗固作業(yè)對(duì)道床密實(shí)程度的影響，發(fā)現(xiàn)搗鎬下插階段道床的密實(shí)程度增加50%，并且頻率的增加也會(huì)導(dǎo)致密實(shí)程度的增加.

在此基礎(chǔ)之上，文中采用離散元的方法，利用EDEM離散元軟件，以對(duì)搗固作業(yè)效果影響最大的振幅和頻率作為研究變量，以道床密實(shí)程度和道砟的破碎量作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，研究不同級(jí)配道床搗固作業(yè)參數(shù)的選取規(guī)律及優(yōu)化.

1 離散元仿真模型

1.1 道砟顆粒模型建立

為了建立更加真實(shí)的道砟顆粒，將采用顆粒粘結(jié)的方式建立可破碎道砟顆粒，以球型顆粒填充來替換真實(shí)道砟顆粒.在EDEM中，粘結(jié)模型(bonded particle model)是利用“bond”鍵將小球粘結(jié)在一起組成一個(gè)具有道砟顆粒形狀的顆粒簇來作為道砟顆粒參與到仿真計(jì)算中.通過顆粒粘結(jié)建立的道砟顆粒不僅可以很好的模擬真實(shí)道砟顆粒的形狀，同時(shí)當(dāng)粘結(jié)鍵斷裂的時(shí)候，可以顯示為顆粒的破碎.

根據(jù)《巖石力學(xué)參數(shù)手冊(cè)》選定所使用的花崗巖的參數(shù)，并且根據(jù)下列公式計(jì)算出粘結(jié)模型中所需要的參數(shù).

Ks=0.58Kn

τ=c+δ·tanφ

式中：E為彈性模量，6 Pa；r為小球半徑,1.5 mm；υ為泊松比,0.25；c為黏聚力,4×105Pa；tanφ為內(nèi)摩擦角正切值，0.93；最終求得的參數(shù)見表1，粘結(jié)過程見圖1.

表1 道砟粘結(jié)參數(shù)

圖1 道砟顆粒建立過程圖

將建立完成的可破碎道砟顆粒通過EDEM的顆粒工廠接口所對(duì)應(yīng)的API文件導(dǎo)入到顆粒庫中，參與到最終的搗固模型建立和仿真計(jì)算中.

1.2 有砟道床模型建立

1.2.1級(jí)配的選取

道砟顆粒級(jí)配主要通過道砟通過方孔篩的質(zhì)量分?jǐn)?shù)來表示.根據(jù)TB/T2140—2008《鐵路碎石道砟》中所規(guī)定的特級(jí)道砟顆粒級(jí)配和一級(jí)道砟顆粒級(jí)配的規(guī)定，選定兩種典型道砟級(jí)配，即為級(jí)配A和級(jí)配B，A相對(duì)于B為窄級(jí)配道砟，B相對(duì)于A屬于寬級(jí)配道砟.具體分布見表2～3.

表2 級(jí)配A道砟粒徑分布

表3 級(jí)配B道砟粒徑分布

1.2.2搗固裝置的建立

選取搗搞附近的區(qū)域作為研究對(duì)象，建立道砟箱模型輔助研究搗固作業(yè).道砟箱為長×寬×高830 mm×600 mm×400 mm的長方形盒體.

在這個(gè)搗固模型中包括搗搞、道砟箱、軌枕和道砟顆粒四部分組成.具體參數(shù)根據(jù)《巖石力學(xué)參數(shù)手冊(cè)》選取，道砟顆粒和道砟箱均采用花崗巖材料(ballast particles)，軌枕采用混凝土材料(concrete)，搗搞采用鋼材(steel products).道砟顆粒之間、道砟和軌枕之間、道砟和搗搞之間的相互接觸.參數(shù)設(shè)置見表4.

表4 材料與接觸參數(shù)

2 搗固實(shí)驗(yàn)

2.1 有砟道床搗固作業(yè)仿真過程

1) 道砟顆粒生成 首先按照級(jí)配的要求，采用“落雨法”生成道砟顆粒，使道砟顆粒均勻的充滿道砟箱，待道砟顆粒完全生成且顆粒的最大速度小于0.002 m/s，平均速度小于0.001 m/s時(shí)，在添加搗搞的運(yùn)動(dòng)，確保道床的穩(wěn)定.

2) 搗固作業(yè) 道砟顆粒穩(wěn)定之后，添加搗鎬的運(yùn)動(dòng)，搗搞運(yùn)動(dòng)開始時(shí)設(shè)定一定的振幅和頻率.首先，搗鎬從初始位置開始以0.02 m/s的速度進(jìn)行向下運(yùn)動(dòng)直至軌枕底面下20 mm處 ，以直線形式運(yùn)動(dòng)；隨后搗鎬開始以頂端為中心，向枕心的方向開始旋轉(zhuǎn)夾持道砟顆粒，夾持的角度為20°；然后搗鎬開始反向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，張開直至初始位置；最后搗鎬開始做提升運(yùn)動(dòng)，搗鎬以1 m/s的速度開始從枕下位置提升至初始位置，完成一次搗固作業(yè).

3) 垂向剛度測(cè)試與可行性實(shí)驗(yàn)做對(duì)比 搗固作業(yè)完成之后，立刻向軌枕施加一個(gè)垂直向下的運(yùn)動(dòng)，設(shè)置的速度為：0.01 m/s，時(shí)間為1 s，最后提取軌枕的垂向位移S和垂向載荷F.具體搗固作業(yè)過程見圖2.

圖2 搗固作業(yè)過程圖

2.2 搗固模型可行性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的仿真模型的真實(shí)性以確保仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了對(duì)應(yīng)的可行性實(shí)驗(yàn).具體的操作和測(cè)試過程保持和仿真過程一致.具體操作見圖3，結(jié)果對(duì)比見圖4.

圖3 可行性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)過程圖

圖4 可行性實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比圖

通過分析發(fā)現(xiàn)仿真計(jì)算的結(jié)果雖然和實(shí)際驗(yàn)證的結(jié)果有些差別，但差距并不明顯，證明仿真模型具有一定的真實(shí)性，可以用來進(jìn)一步仿真分析并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化.

3 結(jié)果與分析

本次實(shí)驗(yàn)采用響應(yīng)面的方法進(jìn)行分析，響應(yīng)面法包括CCD和BBD兩種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，對(duì)于兩種因素的設(shè)計(jì)通常使用CCD法即Central Composite Design，這種方法只考慮兩個(gè)因素及因素之間的影響，在本次研究中只有振幅和頻率兩個(gè)影響因素，正好適用，所以本次研究采用CCD法.選取振幅的值分別為2，3，5，7和8 mm；頻率的值分別為27，35，55，75和83 Hz.可以得到圖5的實(shí)驗(yàn)分布，為了保證實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，中心點(diǎn)(5，55)進(jìn)行五次實(shí)驗(yàn)，所以一共13組實(shí)驗(yàn).

圖5 實(shí)驗(yàn)響應(yīng)分布圖

3.1 密實(shí)程度分析

密實(shí)程度指的是道床中的道砟顆粒之間的相互排列、緊湊的程度，其計(jì)算公式為

式中：Vballast為道砟顆粒體積；Vbed為道床體積.在EDEM軟件中，在添加顆粒時(shí)可以計(jì)算出所添加的顆粒的總體體積，即為Vballast值；在搗固完成之后，可以通過后處理分析模塊得到道床的體積，即為Vbed值.

在下插階段道砟會(huì)受到搗鎬的振動(dòng)和下插力，搗鎬周圍的道砟會(huì)迅速移動(dòng)并且重組，見圖6.從速度的矢量方向上來看，道砟受到搗鎬的運(yùn)動(dòng)，道砟也開始進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，但運(yùn)動(dòng)相對(duì)隨機(jī)，沒有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律.從道砟的運(yùn)動(dòng)速度來看，鎬頭內(nèi)側(cè)道砟的運(yùn)動(dòng)最為劇烈，從軌枕底部中心依次減弱，隨著搗鎬向內(nèi)側(cè)夾持，搗鎬一側(cè)道砟的運(yùn)動(dòng)傳遞至軌枕底部中心的道砟，從而使得軌枕底部基本所有道砟得到移動(dòng)重組達(dá)到密實(shí).

圖6 下插階段道砟的速度矢量圖

對(duì)于級(jí)配A ，根據(jù)CCD法擬定13組仿真實(shí)驗(yàn)，并在EDEM中進(jìn)行仿真計(jì)算，得出結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)分析.實(shí)驗(yàn)結(jié)果響應(yīng)圖見圖7.

圖7 級(jí)配A響應(yīng)結(jié)果對(duì)比圖

由圖7可知，隨著振幅不斷增大，道床的密實(shí)程度越來越大，搗固效果更好；隨著頻率的不斷增大，道床的密實(shí)程度出現(xiàn)逐步降低的趨勢(shì)，搗固效果下降，振幅對(duì)密實(shí)程度的影響較大.搗固的振幅為6.6 mm，且頻率為41 Hz，時(shí)，道床的密實(shí)程度最大.

對(duì)于級(jí)配B，根據(jù)CCD法擬定13組仿真實(shí)驗(yàn)，并在EDEM中進(jìn)行仿真計(jì)算，得出結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)分析.具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果響應(yīng)圖見圖8.

圖8 級(jí)配B響應(yīng)結(jié)果對(duì)比圖

由圖8可知，隨著振幅不斷增大，道床的密實(shí)程度越來越大，搗固效果更好；隨著頻率的不斷增大，道床的密實(shí)程度出現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，在51 Hz左右的搗固效果最好，振幅對(duì)密實(shí)程度的影響較大.搗固的振幅為6.2 mm且頻率為44 Hz，時(shí)，道床的密實(shí)程度最大.

3.2 道砟顆粒破碎量分析

由于利用EDEM所建立的仿真模型中的道砟顆粒是利用粘結(jié)模型建立粘結(jié)顆粒簇，在粘結(jié)顆粒簇之間是由“bond”連接在一起，一但“bond”鍵斷裂，顆粒就會(huì)分開，也就表示為道砟顆粒的破碎，所以在此次實(shí)驗(yàn)中，以“bond”鍵的斷裂量來表示道砟顆粒破碎量.待搗固作業(yè)完成后，在EDEM后處理模塊中提取搗固作業(yè)的整個(gè)階段“bond”鍵的破壞數(shù)量，生成一個(gè)Excel文件，里面包括每個(gè)時(shí)間對(duì)應(yīng)的“bond”鍵破壞總量，即表示為道砟的破碎量.

從道砟的破碎顆粒情況來看，道砟最大受力集中在搗鎬搞頭區(qū)域，特別是鎬尖周圍，該階段由于道砟受到瞬時(shí)的沖擊，并且在加持的過程中破碎量相對(duì)較大，見圖9.

圖9 道砟顆粒破碎區(qū)域示意圖

對(duì)于級(jí)配A ，根據(jù)CCD法擬定13組仿真實(shí)驗(yàn)，并在EDEM中進(jìn)行仿真計(jì)算，得出結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)分析.具體實(shí)驗(yàn)響應(yīng)圖見圖10.

圖10 級(jí)配A響應(yīng)結(jié)果對(duì)比圖

由圖10可知，隨著振幅不斷增大，道砟顆粒的破碎量呈現(xiàn)先增加后略微降低的趨勢(shì)，在6 mm左右時(shí)道砟顆粒的破碎量最大；隨著頻率的不斷增大，道砟顆粒的破碎量同樣出現(xiàn)先增加后微弱下降的趨勢(shì)，在67 Hz左右破碎量最大.搗固的振幅為6.7 mm且頻率為57 Hz，時(shí)，道砟顆粒的破碎量最多.

對(duì)于級(jí)配B ，根據(jù)CCD法擬定13組仿真實(shí)驗(yàn)，并在EDEM中進(jìn)行仿真計(jì)算，得出結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)分析.具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果響應(yīng)圖見圖11.

圖11 級(jí)配B響應(yīng)結(jié)果對(duì)比圖

由圖11可知，隨著振幅不斷增大，道砟顆粒的破碎量呈現(xiàn)先增加后略微降低的趨勢(shì)，在5 mm左右時(shí)道砟顆粒的破碎量最大；隨著頻率的不斷增大，道砟顆粒的破碎量同樣出現(xiàn)先增加后微弱下降的趨勢(shì)，在59 Hz左右破碎量最大.搗固的振幅為5.5 mm，且頻率為60 Hz時(shí)，道砟顆粒的破碎量最多.

4 結(jié) 論

1) 通過EDEM軟件建立的仿真模型具有真實(shí)性，可破碎的道床可以更真實(shí)的表現(xiàn)出在搗固作業(yè)中道砟顆粒的變化，確保了之后的研究的準(zhǔn)確性.

2) 對(duì)于不同道砟級(jí)配的道床，其對(duì)應(yīng)的搗固作業(yè)參數(shù)也應(yīng)該不同.從道床密實(shí)程度來看：窄級(jí)配道床的搗固參數(shù)為振幅6.6 mm頻率41 Hz時(shí)，道床的密實(shí)程度度達(dá)到最高；寬級(jí)配道床的搗固參數(shù)為振幅6.2 mm頻率44 Hz時(shí)，道床的密實(shí)程度度達(dá)到最高.從道砟顆粒破碎程度來看：窄級(jí)配道床道砟的破碎量相對(duì)較大，寬級(jí)配道床道砟破碎量相對(duì)較小.在搗固作業(yè)中，振幅對(duì)道床的影響要大于頻率對(duì)道床的影響.所以最終認(rèn)為窄級(jí)配的道床采用大振幅低頻率的搗固參數(shù)時(shí)搗固的搗固效果較好，寬級(jí)配的道床采用小振幅高頻率的搗固參數(shù)時(shí)搗固的搗固效果較好.